第l6卷第4期 矿 冶 Vo1.16,No.4 2007年l2月 MINING&METALLURGY December 2007 文章编号:1005-_7854(2007)04—0017—05 硫一氟混酸作用下富钾页岩提钾的机理研究 刘 杰,印万忠,韩跃新 (东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳 110004) 摘 要:本文对朝阳地区的富钾页岩矿样在硫一氟混酸作用下浸出提钾的反应机理进行了系统的研 究。分析了氟化物溶解硅酸盐的主要反应机理;利用XRD对最佳条件下钾浸出率为94.028%的提钾 后水不溶物进行物相分析,确定了氢氟酸与页岩中主要含钾矿物长石和云母的主要反应过程。对主要 的反应过程用热力学的方法进行了计算和分析,确定主要反应过程可以自发的进行。 关键词:富钾页岩;硫~氟混酸;反应机理;热力学 中图分类号:TF826.1 文献标识码:A STUDY ON THE MECHANISM OF EXTRACTING POTASSIUM FROM THE POTASSIUM—RICH SHALE USING SULFURIC—FLUORIN MIXED ACID LIUJie,YIN Wan—zhong。HAN Yu—xin (School oZ Resources&Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 1 1 0004,Ch ina) ABSTRACT:It is studied that the mechanism of extracting potassium from the potassium—rich shale sample in Caoyang using sulfuric—fluoric mixed acid.It is determined the main mechanism of decompounding silicate by lfuoride.Phase analysis results of the water—insoluble substance after extracting potassium in the optimal condi— tion show the extracting ratio of potassium reaching 94。028%by XRD.And the main reaction process of fluo— rhydric acid and mineral contained potassium such as feldspar and muscovite,in the potassium—rich shale is con— firmed.At the same time,main reactions are calculated and analysed in thermodynamics method,which is a spontaneous process- KEY WORDS:potassium—rich shale;sulfuric—fluoric mixed acid;mechanism;thermodynamics 1 引 言 肥,一直是国内外学者较为重视的研究课题。难溶 性钾的提取工艺很多,从原理上大致可分为直接法、 钾肥是农业中不可缺少的常用三大肥料之一。 湿化学法、煅烧法、挥发法和生物法五类 J。湿化 其来源主要是可溶性矿物或含钾盐水矿的地下沉积 学法提钾的原理是采用酸碱盐等化学试剂在溶液中 矿。世界上可溶性钾矿资源储量分布极不平衡,这 分解钾矿石,达到钾离子溶离出来的目的,如酸法、 些沉积矿主要分布在北半球和南半球的两个国家, 碱加压法、氯化物法(食盐法)、苏打法等。湿化学法 而世界的其它国家分布较少【1 J。相对来说,难溶 具有反应温度低、能耗少等优点。长沙矿山设计研 性钾矿资源广泛地分布在世界各地。开发利用难溶 究院“综合利用钾长石”课题组在助剂和硫酸存在条 性钾矿资源生产钾肥或在矿产综合利用中制取钾 件下,低温分解钾长石获得成功 。腐植酸法提钾 收稿日期:2007~04—06 是以含钾页岩、石灰和褐煤为原料,先用高压浸出法 基金项目:教育部新世纪优秀人才基金资助(NCET一05—0291)。 回收含钾页岩中的钾,再使其与褐煤作用,即可生成 作者简介:刘杰,博士生。 含腐植酸钾(R—COOK)70%~80%的腐植酸钾肥。 维普资讯 http://www.cqvip.com
・18・ 矿 冶 含钾页岩中的钾的回收率达90% ‘J。Varadachari 实验原料取自辽宁省朝阳地区,该页岩矿的化 C.[5_6]利用白云母和磷酸之间的反应从白云母废 学成分分析结果如表1所示。由表1的分析结果可 料中回收钾盐。Chandrika VaradachariLll 等人对从 知,此种矿石高硅富钾。 黑云母中提钾进行了大量的研究,最初是在实验室 经过正交偏光显微镜下放大100倍分析和反光 范围进行,随后提高到中试规模。日本曾采用高温 显微镜下分析,结果表明,此矿石为绢云母土质板 热碱高压的方法快速分解钾长石,钾的浸出率为 岩,其中矿石之中主要含有微斜长石、绢云母和石 90%以上,硅的萃取率在2%以下 j。氯化物法提 英,其含量分别为20%、25%和15%。矿石中还含 钾主要是氯化钠溶浸含钾岩石,其提钾过程是一液 有少量的赤铁矿和含铁泥质等,其中含铁泥质中含 固相反应,具有产品纯度高、作为肥料易被作物吸收、 有少量的绿高岭石、绿泥石等。钾主要赋存于绢云 原料价廉易得等优点【7]。本文在前期工作的基础上, 母和微斜长石之中。对富钾页岩进行粉晶X一射线 对硫~氟混酸法对提钾的反应机理进行了探讨。 衍射(图1)分析,进一步证实此种矿石中主要含有a 一2 实验方法 石英、微斜长石和绢云母。 2.1实验原料 表1 页岩矿化学成分分析表 Tabk 1 Chemistry analysis of element of shale rock 化学成分 SiO2 K20 AI203 Na20 CaO MgO Fe2o3 FeO MnO2 Tio2 BaO 灼减量 合计 含量/% 4 3 0 2 、 、 l 一 五乙 . ^. . i^_ .瑟4(J . .羹 一 .一i.-.. 乙 20,(。) 图1 页岩的x一射线衍射图 Fig.1 X—ray diffraction spectrum of shale rock 2.2实验方法 出提钾后的水不溶物进行物相分析,并对反应过程 每次称取原样100g进行页岩提钾试验。首先 进行热力学分析。 试样在 100×150mm球磨机中磨矿15min,使磨 矿细度为一0.074mm占90%以上。粉磨后矿样静 3 硫一氟混酸作用下页岩提钾的机理 止沉降20h,去除上清液之后放人100℃的干燥箱烘 分析 干8h。在由JJ一2增力电动搅拌机、DZKW一0—2 3.1氟化物溶解硅酸盐的机理 型恒温水浴锅和500mL烧杯组成的浸出装置中,烘 从F原子的结构上分析【引,可认为由于氢氟酸 干后矿样与NaF混合,并与浸出剂硫酸作用进行搅 中的F原子具有最小的原子半径和最大的电负性, 拌浸钾试验。浸取后过滤、滤渣洗涤至中性,烘干 故与O原子和Si原子成键相比,F原子与Si原子成 12h后称重并取样分析钾的含量,计算钾浸出率。 键更为牢固,形成的Si F键要比Si O键稳定。因此 确定钾的最佳浸出条件为物料配比为m(页岩): 氢氟酸不仅可以破坏钾长石和云母中较弱的K O m(氟化钠)=1:0.8、浸出剂为69.697%硫酸,液 键,也可以破坏较稳定的Si—O、 .O和 O Si键, 固比为6:1,浸出温度100℃,浸出时间为2h。在此 生成更稳定的Si F键。 条件下钾浸出率达到94.028%。对最佳条件下浸 硅酸盐基体表面Si—O断裂的途径有许多可 维普资讯 http://www.cqvip.com
刘杰等:硫一氟混酸作用下富钾页岩提钾的机理研究 ・19・ 能【 。HF直接与表面反应,打断si—O键,如图2 型。这个模型假设二氧化硅水界面被一层中性的 (a)所示。在氢与硅酸盐基体中的氧形成氢氧基的 Si—OH集团所覆盖,根据溶液pH值不同,它不仅能 条件下,打断Si—O键的过程则有两条可能途径,如 够给质子以提供正电荷Si—OH2 ,而且可以通过去 图2(b)工、Ⅱ所示。途径工如图2(b(D)过程所示, 质子化产生负电荷Si—O一。由于吸附的氟离子发生 即形成的氢氧基团对si—O键产生极化和弱化作用, 在表面的交换反应Si—OH+HF=Si—F+H2O,使 以促进氟离子的进一步作用,从而使si—O键断裂。 得硅氧键进一步极化,在水的作用下si—O键断裂, 途径Ⅱ如图2(b②)所示,在HF的作用下,弱化和打 如图2(b③)所示,或在HF作用下使si—O键断裂, 断Si—O键,氢氧基团被氟离子取代。Osseo—Asare依 如图2(b④)所示。 据溶液离子吸附界面电荷效应提出了一个反应模 ca :一{i一。一}i一+H-F ̄"・一碎一 二 一一{i一星 i一 一 善一 ~H0 O。 一毒一……一 一 i H V ’。。 詈一 0< . 寺一T口 V啉{H 芏 I-0 i\/. 3.2硫.氟混酸作用下页岩提钾的机理分析 主要的反应过程是NaF与硫酸反应生成了氢氟酸。 图3为最佳条件下提钾后水不溶物的XRD图 在足量的氢氟酸作用下页岩中的长石和云母与氢氟 谱。此图表明原矿(图1)中长石、云母的衍射特征 酸相互作用生成了AP 、SiF4、K 等成分,其中SiF4 峰基本消失,XRD谱中主要特征峰为合成的Si0’、 与H2O反应生成在酸性条件下稳定的siF6 ,SiF6 一 Na2SiF6和 F3的特征峰。表2为提钾后水不溶物 不仅可与溶液中的Na 结合成在酸性条件下溶解度 的化学成分分析表,表明水不溶物中主要含有Si、F、 很小的Na2SiF6,而且可与溶液中的K 结合生成的溶 Na还有少量的 ,这与衍射结果相符合,这说明提 于酸的K2 SiF6;反应生成的K 和 以可溶性盐的 钾后水溶物中主要含有Sio2、Na2SiF6和少量的AlE3。 形式进人溶液中,此时钾的浸出率较高。 vN%SiF, I . JvL—-.^一 i: 赢 一 20,f。、 图3最佳浸出条件下提钾后水不溶物衍射图 Fig.3 Diffraction spectrum of water—insoluble after extracting potassium under optimal condition 表2提钾后水不溶物化学成分 Table 2 Chemistry analysis of element from water—insoluble after extracting potassium 化学成分 SiO2 F AI2O3 Na20 K20 Fe203 SO3 TiO2 BaO 合计 含量/% 47.3 38.0 1.09 11.8 0.471 0.185 0 583 0.456 0.0519 99.9 维普资讯 http://www.cqvip.com
・2O・ 矿 冶 此浸出过程的主要反应方程式为(1)~(6)。 NaF+H 一Na 。HF +3SiF ̄÷+K ÷12H2O (1) (2) KA12(Si3ADO1o(OH)2+12HF士10H一一3A1 ’ 其中的zxs;可由(10)进行计算。 AST A= is +If AC1, 、d T’。: +(10) 广丁 将(9)、(10)代人到(8)经整理得 . . . r丁 KA1Si3O8 12HF÷4H一— Alj一÷3SiF4,+K +8H2O (3) AGT △,H—T△IS+J298△CpdT—TJ298 AC pdT (11) 3SiF ̄+2I-I2O— 4H 一2SiF6 一十Si02÷ 2Na +H2SiF6一 a2SiF6—2H一 (4) (5) 假定反应前后的热容差△ 为常数。则(11)变为 2K +H2SiF6一K2SiF6十2H (6) AGT:ArH~T△,s÷△Cp(T一298)一 4 硫一氟混酸与页岩反应过程的热力 ACpT[i :dT.(12) (13) 学分析 4.1热力学原理 对‘12)进行积分整理得 AGT=A,H—T△,s+ACp(T一298)一 △C T(1nT一1n298) 热力学主要是研究能量转换的数量关系、方向、限 度及外界条件对平衡的影响。热力学主要用来解释在 某种条件下,反应是否发生和进行到什么程度 引。 令G =△,H。一TArS。ACpT(1n 1) + 一 吉布斯自由能AG是判断化学反应进行方向的 判据,当AG<0时,反应能够自发的进行;当AG> 0时反应不能自发的进行。用AG判据来辨别页岩提 钾主要反应发生的可能性。 在任何温度下反应的吉布斯自由能可变化 为【 0-11 J: AGT=AHT—TAST (7) (14) △fH= ∑ △fH一 ’一∑AsH’ =’(11S 5) (16) (17) (18) △,5’=∑t,ss’一∑△ ‘ 产新 反应新 △ 。=∑△ 。一∑ ’ ACp=∑Cp一∑C 4.2硫一氟混酸与页岩反应过程的热力学计算 页岩提钾反应的过程复杂,整个过程存在多个 反应,对主要反应进行热力学分析,用热力学的原理 来验证页岩提钾过程的反应机理。按照(14)~(18) 公式进行硫一氟混酸与页岩中主要含钾矿物长石云 其中:式中AHT、AST分别为在温度T时的反应焓 变与熵变。在标准条件下,则可将上式转变为 AGT:AHT—TAST (8) 其中AHT可由(9)进行计算。 r下 AHT=△,H。+I ACpd丁 (9) 母反应过程的热力学计算。主要反应物和产物在标 准态下的热力学数据如表3所示 。一 。 表3主要物质的热力学数据表 Table 3 Thermodynamic data of main matter 维普资讯 http://www.cqvip.com 刘杰等:硫一氟混馥作用下富钾页岩提钾的机理研究 ・21・ 表4为钾长石和云母提钾的过程中的主要反应 自发反应的程度相对较大。这说明在常温常压条件 方程式及其相应的△G 98、△G 63和△G 73。 表4反应方程式的AG数据对比表 Table 4,XG data contrast of reaction equation 从计算结果可以看出,氢氟酸分解钾长石和云 母反应(1)~(6)的△G 均为负值,说明氢氟酸分 解钾长石和云母的反应可以进行,而且在整个反应 中氢氟酸分解钾长石和云母两个反应的△G-下的绝 对值较大,其自发反应的程度相对较大。这说明在 常温常压条件下,氢氟酸可以破坏钾长石和云母的 晶体结构,使钾长石和云母分解成为SiF。、K 、A1H 等成分,从而把钾从钾长石和云母的晶体结构中提 取出来,使其成为溶液中游离的钾离子。由热力学 计算证实,氢氟酸分解钾长石的过程中存在的主要 化学方程式为(1)~(6)。 5 结 论 (1)氢氟酸中的F原子具有最小的原子半径和 最大的电负性,这使得HF可以弱化和打断si—O 键,生成了更稳定的Si—F键,从而使硅酸盐矿物溶 解。 (2)氢氟酸与页岩中主要的含钾矿物钾长石和 云母反应生成A1”、siF‘、K 等,其中siF4与H2O 反应生成在酸性条件下稳定的SiF6卜,K 和A1。 以可溶性盐的形式进入溶液中。 (3)经过热力学计算可知,整个反应中氢氟酸分 解钾长石和云母两个反应的△G 的绝对值较大,其 下,氢氟酸与长石和云母的反应过程可以自发进行。 参考文献: [1]Varadaehari C.Potash Fertilizer from Biotite J .Ind. Eng.Chem.Res.,1997,36:4768—4773. [2]王孝峰.我国与世界钾资源及开发利用现状 J].磷肥 与复肥,2005,20(1):1O一13. 3]王万金,白志民,马鸿文.利用不溶性钾矿提钾的研究 现状及展望[J].地质科技情报,1996,19(3):59—63. [4]罗怡,戴福盛.某地含钾火山岩释钾能力实验研究 J . 昆明理工大学学报,1999,24(1):8O一83, [5]Varadachari C.Phosphoric acid,phosphates and fertilizers for the future[J].Proc.Indian Nat1.Sci.Acad.,1992, B58:119—121. [6]Varadacha ̄C.Phosphoric acid polymerization and its role in fertilizer development[R]//Shukla H C.In Indian Fertilizer Scene Annua1.Bombay:Commercial Publica— tiO1%S,1992. [7]赵立刚.氯化钠熔盐浸取法从钾长石中提钾[J].吉林 大学学报,1997,18(3):55—57. (8]聂耀光.氢氟酸特殊性质的讨论[J].川北教育学院学 报,2002,12(4):92—93. [9]张桂斋.低温分解钾长石热力学及动力学研究 D .青 岛:山东科技大学,2005. [1O]林建明.聚丙烯酸盐/绢云母超吸水性复合材料的表 征[J].矿物学报,2003,23(1):7一l1. [11]大连理工大学无机化学教研室.元机化学[M].6.北 京:高等教育出版社,2001:637—653. [12]胡英.物理化学[M].北京:高等教育出版社,2001:31 —1O1. r13]叶大伦.无机物热力学数据手册 M].北京:科学出版 社,1985:540—1270. [14]林传仙,白正华,张哲儒.矿物及有关化合无热力学手 册[M]、北京:科学出版社,1985:1—347. [15]John AD.Lange’S handbook of chemistry,f ̄teenth edi— tion[M].New York:Science Press and Me Graw—Hill E ducation,1998:16~1578.
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